Датчик регистрации пересечения створа ворот футбольным мячом
Белорусский
Национальный Технический Университет
ПРИБОРОСТРОИТЕЛЬНЫЙ
факультет
Кафедра
«Информационно-измерительная техника и технологии»
КурсовАЯ РАБОТА
по
дисциплине «Первичные измерительные преобразователи в спортивной технике»
ДАТЧИК
РЕГИСТРАЦИИ ПЕРЕСЕЧЕНИЯ СТВОРА ВОРОТ ФУТБОЛЬНЫМ МЯЧОМ
Исполнитель: Студент
группы 119810
Шульга
О. В.
Руководитель: Ризноокая
Н. Н.
Минск 2013
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка 38с., 25 рис.
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК, ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ,
ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ, ПОГРЕШНОСТЬ, ИЗМЕРЕНИЕ
Целью курсовой работы является анализ
существующих методов регистрации пересечения створа ворот футбольным мячом,
выбор соответствующего датчика, анализ возможных погрешностей.
В процессе выполнения работы был описан принцип
действия фотоэлектрических датчиков, составлена функциональная схема,
произведен анализ источников погрешностей.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
. Обзор существующих методов
измерения физической величины и их сравнительный анализ
.1 Принцип действия
фотоэлектрических преобразователей
.1.1 Внешний фотоэффект
.1.2 Внутренний фотоэффект
.1.3 Модулированное излучение
.1.4 Избыточный коэффициент усиления
.2 Виды фотоэлектрических датчиков
.2.1 Типы датчиков по методу
сканирования
.2.2 Датчики прямого луча
.2.3 Датчики отраженного луча
.2.4 Датчики рассеянного луча
. Описание принципа действия ПИП в
статическом и в динамическом режимах
. Описание функциональной схемы ПИП,
в том числе схемы преобразования измеряемой величины в электрический сигнал
. Анализ источников методических и
инструментальных погрешностей выбранной схемы ПИП
.1 Источники погрешностей от
приемников излучения
.2 Погрешности от нестабильности
условий измерений
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
Спортивная инженерия по
отношению к спортивной тренировке, это прежде всего решение педагогической
задачи техническими средствами. Основным средством спортивной тренировки
является физическое упражнения, поэтому в совокупности с техническим средством
они приобретает новые формы, совершенствует свои потребительские,
эксплуатационные и методические свойства, которые зависят непосредственно от
создателя требуемой спортивной техники.
Футбол - это командный вид спорта. Игроки каждой
из команд решают общую задачу - забить гол в ворота соперников. Доступность
футбола, простота инвентаря и оборудования, необходимость проявления воли и
мужества при преодолении действий соперников делают футбол, как вид спорта,
ценным средством физического воспитания. В наше время необходимая
подготовленность футболистов осуществляется путем интенсивных тренировок.
Поэтому, проанализировав тренировочный процесс, необходимо выбрать адекватное
техническое средство, которое позволяет тренироваться наиболее продуктивно и
качественно. Одним из вариантов улучшения качества тренировочного процесса
является статистический анализ. Это можно осуществить путем подсчета количества
точных попаданий футболиста в створ ворот.
1. Обзор существующих
методов измерения физической величины и их сравнительный анализ
Существует множество способов регистрации
пересечения створа ворот футбольным мячом. Однако наиболее надежным,
экономичным и качественным способом решения поставленной задачи является
регистрация с помощью фотоэлектрического датчика.
1.1 Принцип действия
фотоэлектрических преобразователей
Фотоэлектрическими называются такие
преобразователи, у которых выходной сигнал изменяется в зависимости от
светового потока, падающего на преобразователь. Явление фотоэффекта было
открыто русским ученым А. Г. Столетовым в 1888 г.
Фотоэлектрическим эффектом называется явление
преобразования световой энергии в электрическую. Фотоэлектрический
преобразователь представляет собой фотоэлектронный прибор (фотоэлемент),
используемый в качестве измерительного преобразователя. Имеются три типа
преобразователей: преобразователи с внешним фотоэффектом, с внутренним
фотоэффектом и фотогальванические преобразователи.
1.1.1 Внешний
фотоэффект
Внешним фотоэффектом называется испускание
электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны,
которые вылетают из вещества при внешнем фотоэффекте (рисунок 1), называются
фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении
во внешнем электрическом поле, называется фототоком.
Рисунок 1 - Внешний фотоэффект
Внешний фотоэффект можно наблюдать в газах,
жидкостях и твердых телах. Практическое значение имеет внешний фотоэффект из
твердых тел в вакуум.
Вакуумный фотоэлемент - один из приборов,
основанный на внешнем фотоэффект. Он состоит из стеклянного баллона, часть
внутренней поверхности которого покрыта металлом. Баллон является катодом К.
Металлическое кольцо А служит анодом (рисунок 2).
Рисунок 2 - Вакуумный фотоэлемент
Электрическая цепь на рисунке 2 разомкнута; ток
в ней будет существовать, только если из катода будут вырваны (например,
светом) электроны, которые затем достигнут анода. Сила фототока зависит от
числа электронов, вылетающих из катода электронов или от их начальной скорости,
а также от разности потенциалов между катодом и анодом. Зависимость силы
фототока от анодного напряжения (при постоянной освещенности катода) называется
вольтамперной характеристикой (ВАХ) фотоэлемента (рисунок 3).
Рисунок 3 - Зависимость I от U
При напряжении U равном 0 некоторые из
фотоэлектронов долетают до анода, поэтому I ≠ 0 при U = 0. С увеличением
U анода достигают все большее число электронов, и сила фототока при этом
постепенно возрастает. При некотором напряжении (называемым напряжением
насыщении Uнас) все фотоэлектроны достигают анода, и при дальнейшем увеличение
напряжения не приводит к увеличению силы тока. Полученное значение силы
фототока называется током насыщения I нас. По значению силы тока насыщения
можно говорить о количестве электронов n , испускаемых катодом за единицу
времени:
нас = en (1)
В случае, когда анодное напряжение отрицательно,
то оно будет существенно тормозить фотоэлектроны, и в следствии сила тока
уменьшится. При некотором значении напряжения U = UЗ < 0 (запирающее
напряжение) даже самые быстрые фотоэлектроны не в силах достигнуть анода. В
этом случае ток прекращается и вся начальная кинетическая энергия электронов
будет расходоваться на совершение работы против сил задерживающего
электрического поля:
= eUЗ (2)
Таким образом, измерив задерживающее напряжение
UЗ, можно определить максимальное значение скорости и кинетической энергии
фотоэлектронов. Измеряя величину тока насыщения, можно судить о величине потока
излучения, падающего на фотокатод (1).
1.1.2 Внутренний
фотоэффект
Внутренний фотоэффект
представляет собой процесс образования свободных носителей заряда внутри
вещества при воздействии излучения. Взаимодействие излучения с веществом (далее
будем рассматривать только полупроводники) может происходить без изменения или
с изменением энергии падающего кванта. В этом случае лишь поглощение фотонов
представляет интерес. При этом, однако, возможно такое поглощение, при котором
энергия фотона переходит в упругие колебания кристаллической решетки, иными
словами, в энергию фононов, в результате поглощение излучения вызывает
повышение температуры тела.
Внутренний фотоэффект
наблюдается в диэлектриках и полупроводниках. Он заключается в обусловленном
действии света перераспределении электроном по энергетическим уровням. Если
энергия кванта hʋ
превышает ширину запрещенной зоны, поглотивший квант электрон переходит из
валентной зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнительная пара
носителей тока - электрон и дырка, что проявляется в увеличении
электропроводности вещества. Если в веществе имеются примеси, под действием
света электроны могут переходить из валентной зоны на уровни примеси или с
примесных уровней в зону проводимости. В первом случае возникает дырочная, во
втором - электронная фотопроводимость.
Этот эффект находит и
практическое применение в одной из разновидностей фотоприемников - болометрах,
но из-за невысокой чувствительности и низкого быстродействия болометры в
оптоэлектронике не применяются. Лишь непосредственное возбуждение атомов,
заключающееся в появлении дополнительных носителей заряда (фотоносителей),
относится к фотоэффекту. Фотоэффект проявляется в электронных переходах двух
типов: собственных (фундаментальных) и примесных. Собственные переходы (или
собственная проводимость) сопровождаются увеличением концентрации свободных
носителей обоих знаков - и электронов, и дырок. Математическое условие начала
возникновения собственной фотопроводимости записывается так:
, (3)
где hv - энергия кванта излучения.
При выполнении этого условия вблизи границы
поглощения, зависимость коэффициента поглощения от энергии кванта для
прямозонных и не прямозонных полупроводников соответственно имеет вид:
(4)
(5)
где А и В - константы;
- энергия фонона, а
выбор знака в зависит от того, идет ли процесс с отдачей энергии фонону (плюс)
или с получением энергии от него (минус).
Рисунок 4 - Собственные (1) и примесные (2, 3)
фотопереходы электронов в полупроводнике (Ел - уровень ловушки)
излучение измерение
погрешность фотоэлектрический
На внутреннем фотоэффекте
основано действие так называемых фотосопротивлений. Количество образующихся
носителей тока пропорционально падающему световому потоку. Поэтому
фотосопротивления применяются для целей фотометрии. Первым полупроводником,
нашедшим применение для этих целей, был селен.
В последнее время для видимой
части спектра стали широко применяться фотосопротивления из CdS.
Фотосопротивления из полупроводников PbS,
PbSe, PbTe
и InSb используются в
качестве детекторов инфракрасного излучения; они намного превосходят
термоэлектрические болометры.
Рисунок 5 - Область p-n
перехода или на границе металла
В области p-n
перехода или на границе металла с полупроводником может наблюдаться вентильный
фотоэффект. Он заключается в возникновении под действием света электродвижущей
силы. На рисунке показан ход потенциальной энергии электронов (сплошная кривая)
и дырок (пунктирная кривая) в области p-n
перехода. Неосновные для данной области носители (электроны в p-области
и дырки в n-области),
возникшие под действием света, проходят через переход. В результате в p-области
накапливается избыточный положительный заряд, в n-области
- избыточный отрицательный заряд. Это приводит к возникновению приложенного к
переходу напряжения, которое и представляет собой фотоэлектродвижущую силу.
Если р- и n-области кристалла
подключить к внешней нагрузке, в ней будет течь ток. При не очень больших
освещенностях силы тока пропорциональна падающему на кристалл световому потоку.
На этом основано действие фотоэлектрических фотометров, в частности применяемых
в фотографии экспонометров (2).
1.1.3 Модулированное
излучение
Модулированный луч увеличивает диапазон
измерений и снижает влияние внешних источников освещения. Такой луч пульсирует
на определенной частоте от 5 до 30 кГц. Фотоэлектрический датчик хорошо
отличает модулированный луч от внешнего источника освещения. Источники света,
которые применяется в конструкции датчиков, находятся в световом спектре от
видимого зеленого до невидимого инфракрасного излучения. Обычно производители
для этой цели используют светодиоды.
Рисунок 6 - Световой спектр
Когда луч достигает объекта, возникают такие
явления, как отражение, поглощение и передача света. Их параметры и
коэффициенты напрямую зависят от объекта, его материала, поверхности, толщины и
цвет.
Расположенные близко друг от друга, два
фотоэлектрических устройства могут создавать взаимные помехи. Поэтому между
датчиками всегда существует минимальное расстояние. Такая проблема решается с
помощью специальных защитных покрытий и точного позиционирования датчиков. Вся
необходимая информация по этому вопросу приводится в спецификации.
1.1.4 Избыточный
коэффициент усиления
Многие промышленные условия предполагают наличие
пыли, грязи, дыма, влаги и других вредных компонентов окружающей среды.
Датчики, которые работают в условиях присутствия хотя бы трех вышеперечисленных
факторов, требуют большего количества света для нормальной работы. Избыточный
коэффициент усиления представляет количество излучаемого света, выработанного
сверх номинальной нормы приемника. В идеальных условиях среды (чистый воздух)
коэффициент усиления близок или равен единицы. Однако если воздух в помещении
содержит переносимые частицы, которые поглощают до 50% светового пучка,
необходимо установить коэффициент усиления 2 для приемника датчика. Коэффициент
усиления рассчитывается по логарифмической шкале, как показано на рисунке 7. На
приведенном графике видно, что если необходимо измерять объекты на расстоянии
одного метра с помощью разнесенных излучателя и приемника, коэффициент усиления
должен быть 30. Другими словами, для нормальной работы приемника требуется
световой луч в 30 раз ярче номинальной яркости.
Рисунок 7 - Логарифмическая шкала
Коэффициент усиления уменьшается при увеличении
рабочего расстояния. Однако не следует забывать, что рабочее расстояние для
разных типов датчиков понимается по-разному: если для датчиков с прерыванием
луча оно равно расстоянию от излучателя до приемника, то для совмещенных
датчиков, отражающих от объектов, это расстояние от датчика до самого целевого
объекта.
Зона срабатывания
Фотоэлектрические датчики работают в
определенной зоне срабатывания. Она зависит от принципов распределения
светового пучка и диаметра светового пятна. Это связано с тем, что приемник
датчики срабатывает только в том случае, если целевой предмет попадает в зону
светового пятна.
Рисунок 8 - Зоны срабатывания
Сплошная линия - датчик без подавления заднего
фона, пунктирная линия датчик с подавлением заднего фона.
1.2 Виды
фотоэлектрических датчиков
Фотоэлектрические датчики - это один из типов
устройств, предназначенных для позиционирования объекта. Такие датчики
используют модулированный световой пучок, который прерывается или отражается от
целевого объекта.
Конструктивно фотоэлектрический датчик состоит
из нескольких основных блоков:
(a) - эмиттер (источник излучения), который
преобразовывает модулированный электрический сигнал в световую энергию.
(b) - оптическая система, которая соединяет
эмиттер и приемник посредством светового луча.
(c) - приемник для детектирования излучения,
который преобразовывает полученную световую энергию в электронный сигнал.
(d) - демодулятор-усилитель, который извлекает и
усиливает часть сигнала от модулированного источника излучения.
(e) - компаратор для сравнения полученного
сигнала с порогом срабатывания датчика.
(f) - выходной каскад на транзисторе или реле
для включения внешней нагрузки.
Самый простой и знакомый всем нам пример
использования таких датчиков - это автоматически открывающиеся двери
супермаркетов. (рисунок 6)
Рисунок 6 - Пример использования
фотоэлектрического датчика
1.2.1 Типы датчиков по
методу сканирования
Принцип сканирования - это метод, используемый
фотоэлектрическим датчиком для детектирования целевых объектов.
Выбор датчика с определенным принципом
сканирования, в первую очередь, зависит от физических особенностей измеряемых
объектов. Одни из них могут быть прозрачными, другие - с повышенными
отражающими способностями. Иногда возникает необходимость определить разницу в
цвете объектов. Расстояние сканирования - также немаловажный фактор при выборе
датчика определенного типа, поскольку некоторые типы имеют большой диапазон
сканирования, в то время как другие лучше работают на небольших расстояниях.
1.2.2 Датчики прямого
луча
Наиболее подходящими для нашей задачи являются
датчики прямого луча. Такие датчики состоят из двух устройств: излучателя и
приемника, которые располагаются таким образом, чтобы максимальный объем
излучаемого света попадал на приемник. При этом целевой объект должен
находиться на одном уровне с лучом. Когда объект перекрывает луч, изменяется
выходной статус приемника. Когда объект выходит за пределы луча, выходной
статус сигнала приемника возвращается в нормальное состояние. Датчики на
прерывание луча удобны для детектирования непрозрачных или отражающих объектов,
однако их нельзя использовать для обнаружения прозрачных предметов. Кроме того,
вибрация может нарушить центровку излучателя на приемник. В целом же, высокий
коэффициент усиления разнесенных в разные корпуса фотоэлектрических приемников
и излучателей позволяет использовать их в условиях высокой загрязненности
окружающей среды. Максимальный рабочий диапазон таких датчиков составляет 350
метров.
Рисунок 7 - Датчики прямого луча
Эффективный световой пучок датчиков - это
диаметр луча в том месте, где он пересекается с целевым объектом. Для датчиков
с прерыванием луча это диаметр линзы излучатели и приемника, поэтому размер
минимального целевого объекта должен быть равен диаметру линзы.
1.2.3 Датчики
отраженного луча
Рисунок 8 - Датчики отраженного луча
Такие датчики содержат в одном корпусе и
излучатель, и приемник. Световой пучок посылается эмиттером на рефлектор
(отражатель специальной конструкции), а затем возвращается отраженным в
приемник. Когда целевой объект блокирует световой поток между датчиком и
рефлектором, изменяется выходное состояние датчика. При исчезновении преграды
датчик возвращается в нормальное состояние. Максимальный диапазон измерений для
таких датчиков составляет 55 метров.
Эффективный диапазон излучения рефлекторных
датчиков находится от линзы излучателя до границы рефлектора. Минимальный
размер целевого объекта должен равняться размеру используемого рефлектора.
Рисунок 9 - Схема датчика отраженного луча
Как правило, рефлекторы заказываются отдельно от
датчиков. Они бывают различной формы, круглые или прямоугольные. Диапазон
измерений датчиков с рефлекторами указывается при использовании конкретной
модели рефлектора. Отражающие наклейки не рекомендуется использовать с
поляризованными датчиками.
Рисунок 10 - Рефлектор
Призматические рефлекторы отражают внешний свет
параллельно, при этом коэффициент его отражения выше, чем у любого объекта под
углом более 15 градусов. Обычно, рабочее расстояние увеличивается
пропорционально размерам отражателя. Рефлектор может изменять плоскость
поляризации внешнего освещения на 90 градусов.
Рисунок 11 - Отражение от призматического
рефлектора. Отражение от ровной отражающей поверхности
Датчики с отражателями могут оказаться плохими
помощниками при детектировании блестящих предметов, которые будут отражать свет
от собственной поверхности. Датчик же при этом будет не в состоянии определить
от какого предмета отражается луч, от рефлектора или попавшего в луч целевого
объекта.
Sensor Lens - линза
датчика,
Shiny Object - блестящий
предмет,
Corner-Cube or normal reflector - рефлектор.
Рисунок 12 - Принцип работы датчика
Поэтому для работы с бликующими предметами
используются специальные поляризационные фильтры. Они размещаются перед линзой
излучателя и приемника и принимают световой пучок только в одной плоскости. В
датчиках с поляризованным отражателем излучение света поляризовано в
вертикальной плоскости, в то время как прием излучения происходит через
поляризованный фильтр в горизонтальной плоскости. Призматический отражатель
изменяет световую плоскость под углом 90 градусов, а свет, отражаемый от других
объектов, сохраняет свою плоскость излучения и блокируется входным фильтром
приемника.
Такой свет называется поляризованным. С такими
датчиками используется угловой кубический рефлектор. Поляризованный фильтр на
приемнике пропускает только отраженный от рефлектора свет.
light -
деполяризованный свет, Lens - линза, Polarizin filter - светофильтр, Polarized
light - поляризованный свет, Corner-Cube
or normal
reflector - рефлектор
Отдельные модификации датчиков выпускаются для
работы со стеклянными предметами. Такие датчики очень чувствительны к даже
небольшой разнице между исходящим и входящим сигналом.
1.2.4 Датчики
рассеянного луча
В диффузионных датчиках излучатель и приемник
расположены также в одном корпусе. Свет, исходящий из эмиттера, достигает
целевого объекта и отражается от его поверхности под разными углами. Если
приемник получает достаточное количество отраженного света, датчик изменит свое
выходное состояние, другими словами, сработает. Если отраженный свет не
возвращается в приемник, выходной сигнал останется в неизменном состоянии.
Такие датчики представляют наиболее экономичное и легко монтируемое решение (их
стоимость ниже стоимости других фотоэлектрических приборов). В датчиках подобной
конструкции эмиттер размещен перпендикулярно плоскости целевого объекта, а
приемник установлен под некоторым углом для фиксации рассеянного
излучения.(Рис.13) Очевидно, что до приемника доходит лишь малая доля света,
поэтому максимальный рабочий диапазон таких датчиков составляет 4 метра. Обычно
диффузионные датчики работают в режиме срабатывания на светлое: датчик
срабатывает при пересечении луча объектом.
Рисунок 14 - Рассеивающий датчик
Максимальный рабочий диапазон указывается при
работе датчика на матовом белом фоне. В зависимости от характера поверхности
целевого объекта применяются особые корректирующие коэффициенты:
Матовая белая поверхность 100%
Белая бумага 80%
Серый ПВХ 57%
Дерево с легкой окраской 73%
Пробковое дерево 65%
Белый пластик 70%
Черный пластик 22%
Черный неопрен 20%
Автомобильные покрышки 15%
Матовый алюминий 120%
Нержавеющая сталь, полированная 230%
Особого рассмотрения при выборе такого датчика
требует вопрос цвета целевого объекта. Очевидно, что лучше воспринимаются
светлые объекты на темном фоне, поскольку они отражают больше света. Для работы
с темными объектами датчики имеют специальный регулировочный потенциометр
(Рисунок 15)
Рисунок 15 - Регулировочный потенциометр
Диффузионные датчики позволяют измерять
различные участки области прохождения луча: быть нечувствительными к близко
расположенным объектам (подавление переднего фона), к объектам за пределами
определенной зоны (подавление заднего фона) или одновременно к близко и далеко
расположенным предметам (energetic). Подавление заднего фона используется для
детектирования объектов до определенного расстояния. Все объекты, находящиеся
за границами этой области, датчиком игнорируются. Регулировка рабочего
расстояния здесь не связана с чувствительностью приемника, а достигается
оптической триангуляцией. Такие датчики имеют в конструкции датчик положения
(PSD - position sensor detector). Отраженный луч попадает на датчик под
различным углом.
Чем больше расстояние до объекта, тем острее
угол отражения. Благодаря такому методу измерения угла отражения датчики могут
детектировать все объекты на заданном расстоянии вне зависимости от их цвета.
Рисунок 17 - Диффузионный датчик
Также, диффузионные датчики могут иметь
подавление переднего фона или иметь регулируемое расстояние работы, т.н.
energetic, а также работать с блестящими предметами.
Датчики с подавлением переднего и заднего фона
(energetic) позволяют пользователю точно установить минимальное и максимальное
расстояние детектирования. Таким образом, датчик срабатывает только на целевые
объекты, появляющиеся в заданной зоне. Например, типичной сферой применения
таких датчиков являются промышленные конвейеры, где рабочая область датчика
соответствует ширине конвейерной ленты. Нечувствительность датчиков к
отражающим и рифленым поверхностям гарантирует отсутствие ошибочных срабатываний(3).
.
Описание принципа действия ПИП в
статическом и в динамическом режимах
Может потребоваться несколько этапов
преобразований, прежде чем входной сигнал, поступающий на датчик, превратится в
выходной электрический сигнал. Рассмотрим общие характеристики датчиков, вне
зависимости от их физической природы и количества необходимых промежуточных
этапов преобразований. При этом датчики будут представлены в виде «черных
ящиков», где важными будут только соотношения между сигналами на их входах и выходах.
Датчик должен воспроизводить физическую величину
максимально быстро и точно. Хотя чаще всего датчик выбирают исходя из
надежности и удобства обслуживания, его точность, стабильность и повторяемость
результатов остаются важнейшими факторами. Основой работы управляющего
компьютера является входная информация, поэтому точные и надежные измерения -
это необходимое условие качества управления. Большая часть характеристик
датчика, которые приводятся в техническом описаний, - статические параметры.
Эти параметры не показывают, насколько быстро и точно датчик может измерить
сигнал, изменяющийся с большой скоростью. Свойства, отражающие работу датчика в
условиях изменяющихся входных воздействий, называются динамическими
характеристиками.
Динамические свойства датчика характеризуются
целым рядом параметров, которые, однако, довольно редко приводятся в
технических описаниях производителей. Динамическую характеристику датчика можно
экспериментально получить как реакцию на скачок измеряемой входной величины.
tпр - время
прерывания светового потока
Рисунок 18 - Динамическая характеристика
В принципе следует стремиться к минимизации
следующих параметров:
) Время прохождения зоны нечувствительности
) Запаздывание
) Время нарастания
) Время достижения первого максимума
) Время переходного процесса, время установления
) Относительное перерегулирование
) Статическая ошибка
В реальных условиях некоторые требования к
датчикам всегда противоречат друг другу поэтому все параметры нельзя
минимизировать одновременно.
Статические характеристики датчика показывают,
насколько корректно выход датчика отражает измеряемую величину спустя некоторое
время после ее изменения, когда выходной сигнал установился на новое значение.
Важными статическими параметрами являются: чувствительность, разрешающая
способность или разрешение, линейность, дрейф нуля и полный дрейф, рабочий
диапазон, повторяемость и воспроизводимость результата.
Чувствительность датчика определяется как
отношение величины выходного сигнала к единичной входной величине.
Разрешение (resolution) - это наименьшее
изменение измеряемой величины, которое может быть зафиксировано и точно
показано датчиком.
Линейность (linearity) не описывается
аналитически, а определяется исходя из градуировочной кривой датчика.
Статическое усиление (staticgain)- это
коэффициент усиления датчика на очень низких частотах.
Дрейф (drift) определяется как отклонение
показаний датчика, когда измеряемая величина остается постоянной в течение
длительного времени. Величина дрейфа может определяться при нулевом,
максимальном или некотором промежуточном значении входного сигнала.
3. Описание
функциональной схемы ПИП, в том числе схемы преобразования измеряемой величины
в электрический сигнал
Сущность внутреннего фотоэффекта, используемого
в работе полупроводниковых приемников оптического излучения, состоит в
образовании в полупроводнике свободных носителей заряда (электронов
проводимости
и свободных дырок) при поглощении ими электромагнитного излучения. В
соответствии с зонной теорией этот эффект объясняется тем, что при поглощении
энергии электромагнитного излучения электроны атомов полупроводника совершают
переходы на более высокие энергетические уровни - из валентной зоны в зону
проводимости. При наличии в полупроводнике специально введенных
примесей
(такие полупроводники называют примесными) электроны могут совершать переходы с
примесного уровня в зону проводимости или из валентной зоны на примесный
уровень.
При внутреннем фотоэффекте (в отличие от
внешнего фотоэффекта) электроны остаются внутри полупроводника. Возникновение
в
полупроводнике при его излучении свободных зарядов сопровождается изменением
его электропроводности (эффект фотопроводимости и фоторезистивный эффект) и,
при определенных условиях, появлением разности
потенциалов, т. е. фото-ЭДС (фотогальванический эффект).
Рисунок 19 - Функциональная схема
В качестве фотоэлектрического приемника
используется фотодиод. Фотодиоды - полупроводниковые приемники оптических излучений,
действие которых основано на внутреннем фотоэффекте, в которых использована
односторонняя проводимость р-n-перехода,
приводящая при поглощении оптического излучения к появлению фото-ЭДС
(фотогальванический режим) или при наличии питания - к изменению значения
обратного тока (фотодиодный режим).
Рисунок 20 - Конструкция фотодиода (а),
структура (б) и условное графическое обозначение фотодиода (в)
Основной элемент фотодиода - пластина из
полупроводника внутри которой имеются области электронной (n-область)
и дырочной (p-область)
проводимости, разделенные электронно-дырочным р-n-переходом
(контактом). Пластина размещена в корпусе, снабженном окном, прозрачным для
измеряемого оптического излучения. В некоторых конструкциях фотодиода окно
выполнено в виде собирающей линзы. За счет различия электрических свойств между
названными областями пластины наблюдается контактная разность потенциалов
(диффузионное поле), вызываемая диффузией дырок из р- области в n-область
и наоборот - электронов из n-области
в p-область. При этом n-
и p-области
приобретают соответственно положительный и отрицательный заряды. При освещении n-области
в ней образуются новые носители заряда - электроны и дырки, что приводит к
возникновению градиента концентрации носителя заряда в n-области.
Рисунок 21 - Процесс генерации свободных
носителей заряда
Под действием этого градиента и при условии, что
расстояние от места возникновения до р-n-перехода
не превышает диффузионной длины носителя заряда, происходит диффузионное
перемещение возникших носителей заряда от освещенной поверхности в глубь n-области.
Здесь неосновные носители - дырки - переходят в р-область (обратный ток
неосновных носителей), а электроны, для которых диффузионное электрическое поле
р-n-перехода является
запирающим, остаются в n-области.
При постоянном освещении фотодиода в n-области
накапливаются электроны, а в р-области - дырки.
Материалами для изготовления фотодиодов служат
германий, кремний, арсенид галлия, антимонид индия и др. Спектральная
чувствительность фотодиодов охватывает диапазон 0,4-20 мкм. Другие
характеристики: площадь чувствительного слоя - 1-80 мм2; рабочее напряжение -
3-30 В; интегральная чувствительность - 3-30 мА/лм; постоянная времени -
10"3-Ю-7 с.
Промышленностью выпускаются охлаждаемые
фотодиоды, а также фотодиодные линейки, содержащие от единиц до нескольких
сотен фотодиодов.
Рисунок 22 - Частотные
характеристики фотодиода на основе кремния р-типа (а) n-типа
(б) при напряжении 1 - 0 В; 2 - 1 В; 3 - 4 В; 4 - 10 В; 5 - 100 В; 6 - 15 В; 7
- 150 В.
Существуют важные разновидности фотодиодов:
p-i-n диоды - а, лавинные - б, гетерофотодиоды - в и др.
Рисунок 23 - Структура p-i-n,
лавинного и гетерофотодиода
Гетерофотодиоды используют
слоистую структуру из разных полупроводниковых материалов.
Преимущество этих трех
реализаций состоит в том, что достигается высокая чувствительность при высоком
быстродействии.
4.
Анализ источников методических и
инструментальных погрешностей выбранной схемы ПИП
Погрешность измерения - оценка отклонения
измеренного значения величины от её истинного значения. Погрешность измерения
является характеристикой (мерой) точности измерения.
4.1 Источники
погрешностей от приемников излучения
Приемники излучения характеризуются
чувствительностью. Для электронно-оптических преобразователей (ЭОП),
фотоэлектрических и телевизионных приемников чувствительность характеризуют
отношением силы возникающего фототока и падающего светового потока; для
фотослоя -зависимостью плотности почернения D
от логарифма экспозиции, причем экспозиция определяется как
Н = Е t,
(6)
излучение измерение погрешность
фотоэлектрический
где E
- освещенность, создаваемая элементом оптического изображения на участке
светочувствительного слоя; t
- время действия данной освещенности - время экспозиции.
Данная зависимость выражается световой
характеристикой фотоматериала (график которой - характеристическая кривая,
Рисунок 15).
D = f
(lg H).
(7)
Длины волны излучения характеризует
чувствительность. Практически каждый приемник работает в определенной зоне длин
волн. Порог чувствительности - наименьшая яркость или освещенность объекта, на
которую реагирует приемник. Недостаточная чувствительность приемника создает
неблагоприятные условия, при которых оптических сигнал регистрируется на
нелинейном (начальном) участке световой характеристики в условиях снижения
контраста. В данном случае резко снижается отношение сигнала к шуму (для
фотоматериала - это шум фотографической зернистости). И то, и другое вызывает
повышение погрешностей измерений.
Рисунок 25 - Световая характеристика
(характеристическая кривая) фотоматериала
Фотоэлектрические приемники излучения могут
обладать инерционностью, характеризуемой временем между облучением и появлением
тока в цепи или между исчезновением объекта и его изображения. Чувствительность
зависит от частоты модуляции при восприятии модулированных световых сигналов.
Приемники, которые создают изображение объекта
(приемники изображения), характеризуются разрешающей способностью - наименьшим
расстоянием между двумя точками, которые еще воспринимаются приемником как
раздельные. У ЭОП разрешающая сила в центре поля зрения порядка 40 мм--1 (или
лин/мм), у фотоматериалов - порядка 90 мм-1. Имеются специальные эмульсии с
разрешающей способностью до 1000 и даже до 2000 мм-1, но здесь сравнительно
низкая светочувствительность. Разрешающая способность глаза на расстоянии
наилучшего видения - около 10 мм-1. Контраст изображения, которое дает
приемник, ограничивает реальную разрешающую способность системы.
Чувствительность и разрешающая способность
приемника определяют уровень соответствующих погрешностей измерений.
Главное достоинство приборных приемников
изображения в том, что они позволяют управлять яркостью, контрастом и четкостью
видимого изображения и могут работать в условиях, находящихся за пределами
чувствительности глаза. Такие приемники необходимы и при автоматизации
оптических измерений, в том числе - для ввода данных в компьютер.
Достоинства оптических измерений, основанных на
визуальных наблюдениях: простота, надежность, экономичность, оперативность,
высокая производительность.
4.2 Погрешности от
нестабильности условий измерения
При измерении могут меняться температура,
давление, влажность воздуха, вибрации прибора. Особенно сильно на точности
измерений могут сказаться температурные колебания и вибрации прибора. Для
устранения ошибок контактных измерений от изменения температуры ответственные
части прибора изготавливаются из того же материала, что и измеряемые объекты,
или с близкими коэффициентами линейного расширения. Ответственные узлы приборов
или все помещение термостатируются. Измеряемые детали должны длительное время
выдерживаться перед измерением в данном помещении для выравнивания температур.
На крупных оптических предприятиях для контроля астрономической и другой
крупногабаритной оптики создаются специальные помещения (4).
Вибрации могут привести к неустойчивости
установки, увеличению погрешностей и даже к невозможности измерения. Для борьбы
с ними применяются фундаменты, не связанные со зданием, амортизация опор,
демпфирование колеблющихся частей измерительной установки. Устранение влияния
вибраций, особенно при измерении параметров крупногабаритных оптических деталей
и систем, гораздо экономичнее осуществлять методом видеозаписи с последующей
покадровой расшифровкой. Этот метод показал высокую эффективность и
экономичность.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ показал, что для качественного
мониторинга тренировочного процесса футболиста наиболее эффективно подходит
фотоэлектрический датчик прямого луча, основанный на принципе внутреннего
фотоэффекта.
На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных
приборов, получивших разнообразное применение в различных областях науки и
техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства,
где бы не использовались фотоэлементы - приемники излучения, работающие на
основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.
Аш Ж. Датчики измерительных систем. Кн.1. 1992. С.480
.
Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 3. Квантовая
оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и
элементарных частиц. - 3-е изд. испр. - М.: Наука, Гл. ред. физ. - мат. лит.,
1987. - 275 с.
3. Г. Виглеб. Датчики: Пер. с нем. - М.: Мир,
1989. - 196 с, ил.
4.
В.К.Кирилловский. Оптические измерения. Часть 1. Введение и общие вопросы.
Точность оптических измерений. Учебное пособие. СПб. ГИТМО (ТУ). 2003.- 47с.